一、开发背景
随着社会经济的发展，人们生活条件不断改善,大众对海产品的需求日益增长。然而，水下捕捞作业环境恶劣,捕捞工作者往往面临风湿、减压病等职业病危害,有时甚至付出生命,因此相关从业者不断减少,促使海产品的捕捞成本持续上升。
近年来,水下机器人技术飞速发展,其在水下工程、海洋资源探测、海底打捞等领域的表现得到了广泛认可,但水下机器人在渔业方面的应用还极少。同时，随着人们对地球环境、海洋生态的日益重视，尤其是日本向海洋倾泻核污水等相关事件的发生，使海洋的环保问题受到全人类的广泛关注。
基于以上问题,设计制造一种针对浅海作业的多功能机器人，运用智能化的设计思想、数字化的工程软件对机器人系统及关键部件进行设计并验证，机器人代替人工作业，是解决上述问题的唯一途径。机器人以电力驱动，可远程遥控、捕捞海胆等海产品，又可在水下调整姿态,探测环境、驱赶鱼群，用途广泛；同时，机器人还可在浅海区域捡拾垃圾、清理海床、维护海洋生态平衡，意义重大。
二、结构说明
浅海作业多功能机器人是全新设计打造的高科技智能装备，主要由机体、执行装置、平衡装置、收集器等机械部件组成结构体，外形简洁；采用电池组为机器人提供能量，使用电机驱动各装置，绿色环保；设置控制装置、声纳装置、视觉装置与探照灯等部件，使机器人具备智能控制属性，高效作业。
1、机体
机体采用薄壁中空结构，由高强度铝镁合金铸造成型，质地硬、重量轻。机体作为各部件的安装基础，设置了其它装置的安装接口。
2、平衡装置
平衡装置安装在机体的顶部，由中空罐与呼吸泵组成。中空罐内可储存一定量的水，呼吸泵根据控制指令可将罐内的水排出，也可将环境中的水吸入罐内。中空罐与呼吸泵的主要材质为高强度铝镁合金，强度高、不易变形、耐用并方便制造。
3、驱动装置
驱动装置设置在机体的后部，其包括旋转电机、螺旋桨与保护罩。旋转电机采用高功率永磁同步电机，功率大、体积小；电机内置球铰关节，可使电机绕着外球面与内球面形成的转动副转动，以实现不同方向的驱动前进与姿态调整。螺旋桨选用碳纤维复合材料，重量轻、强度高、阻力小；铝镁合金材质的保护罩可防止螺旋桨遭受碰撞或意外击打。
4、电池组
电池组采用高性能锂电池串联阵列，材料及辅料选择严格,确保其为清洁能源载体。电池组设置在防爆铝镁合金壳内，并用高强度密封胶密封电池组接口，防止漏水、漏电，保障使用安全。
5、执行机构
本产品设置4套执行机构，分别安装在机体的前部两侧与后部两侧。执行机构由上臂、下臂、关节与手指组成。上臂、下臂、关节内置球铰电机，球铰电机可使各部件绕着外球面与内球面形成的转动副转动，以实现动作指令要求的不同功能。每套执行机构设置4根手指，安装在关节底部的沟槽内；四手指相互呈90°排布，通过关节内的电机驱动调节指间的距离，抓握牢固、收放自如。
6、收集器
收集器安装在机体底部，用以收集捕获的海产品或抓取的物体。收集器由2条伸缩杆与一个储物袋组成。伸缩杆可在一定范围内调节储物袋的大小，以满足不同物体的装用需求。
7、视觉装置
视觉装置安装在机体的前部，由横转节、竖转节与高清摄像头组成。横转节、竖转节内置球铰电机，球铰电机可驱动摄像头绕着外球面与内球面形成的转动副旋转，实现多角度、全方位观察周围环境；摄像头安装在视觉装置前部，通过内置高清镜头，将拍摄的视频与图像实时传递给机器人操控者。
8、声纳装置
声纳装置设置在机体的上部，用来发射声波。低频段声波具有远距离传播能力,用于探测环境与物体；次低频段声波可以驱赶对人们有危害的鱼群，维护水域安全。
9、探照灯
探照灯设置在机体的上部，采用高亮度LED灯为发光源，以耐腐蚀性的铝镁合金为筒身，光线强、射程远，适用于水下探照、搜索与补光。
10、控制装置
控制与信号装置设置在机体的上方前部，使用者通过平板电脑中安装的模拟软件操控机器人。视觉装置、声纳装置传回的图像与声音信息实时显示在电脑上，方便操控者准确地获取数据、及时调整。人与机器之间畅通的信息交互，保障产品稳定运行、高效工作。
三、设计原理与方案
浅海作业多功能机器人应用生态仿形设计、数字化仿真分析、结构轻量化等先进技术进行设计制作，先进技术的应用使产品构造可靠、外形美观、使用方便。
1、生态仿形设计
浅海作业多功能机器人的设计采用仿生形态设计理念、外形类似海龟，结构部件大量使用“彩铝”材料制作，并配以浅海生物的外观颜色，充分考虑机器人与海洋的和谐搭配。装置总体结构尺寸为1000mm，具备较强的装载能力，又不占用过大的空间。
2、数字化仿真分析
机器人各结构零部件均经过有限元仿真软件的强度、刚度、模态与变形分析计算，使产品结构更加可靠，满足不大于200m水深的浅海环境使用要求。
3、结构轻量化技术
本产品主要结构件均为高强度铝镁合金，重量轻，使机器人的总重量不超过50kg，方便携带、转运。另外，彩色铝镁合金不生锈，无需涂刷油漆，也符合“绿色制造”的环保理念。
四、使用说明
浅海作业多功能机器人的主要用途为代替人工捕捞海产、驱赶鱼群与清理垃圾。岸上或船上的操控者通过操作电脑,远程控制机器人各电机、泵与开关,实现所需的各项功能，完成各项任务，操作简单、使用方便。
1、捕捞海胆
在捕捞水域，将机器人放入海中，待平衡装置装满水后自动下潜；视觉装置与声纳装置将海底的场景信息传输至控制电脑上，操控者远程控制机器人前进、搜索海产，操控者可挑选成熟的海胆，通过执行装置将其捕获并抓取到收集器中。
当水下光线暗、可见度低、无法传输清晰画面时，可将探照灯开启，照亮摄像头前部的水域，为其提供良好的视野。
待收集器装载完成后，平衡装置通过呼吸泵快速将中空罐内的水排出，从而实现机器人快速上浮至水面。
2、驱赶鱼群
当浅海区域出现对人们有危害的鱼类时，机器人可作为“水下驱逐舰”，操控者控制声纳装置，用次低声波将鱼类驱赶至远海或深海，保护人类活动区域的安全。
3、保护环境
机器人的4套执行机构可独立抓取物体。当拾取塑料瓶、塑料袋、木制或金属物体时，机器人的手指能够牢牢抓住这些海洋垃圾，再放入收集器中。由于收集器容积可在一定范围内可调节，待机器人浮出水面后，即可方便地取出收集的物体。
五、产品创新与技术特点
浅海作业多功能机器人的设计思想先进、科技创新度高，具有技术特点鲜明：
1、以人为本，设计思想先进
浅海作业多功能机器人代替人工潜水作业，尊重劳动，关爱劳动者，避免特种作业的职业危害与人身危险，充分体现了本产品“以人为本”的设计思想；并且机器人功能强大、工作效率高、适用范围广，契合现代智能制造技术理念。
2、创新运用生态设计理念
本产品采用生态仿形设计，机器人外形类似性情温和的海洋生物，突出机器人与自然和平共生、和谐相处，强调“生命、生态、生存”；人与自然，机器与生物，共享同一空间与时间，应同呼吸、共命运，方可持续发展。
3、科技集成度高、工程实用性强
浅海作业多功能机器人集成了电池储能、永磁电机驱动、声纳装置、视觉装置，是具备多装置、多功能、多形态的高科技产品，机器人将上述装置集约化制造为一体，配以简控化的操作系统，高精度地控制，精准地捕捞目标海产，高效地清洁海床，体现了人机一体化装备的工程实用价值。
4、面向海洋未来，注重环境保护
世界只有一个海洋，人类有责任保护海洋。本产品采用了清洁的电力能源，使用了绿色的工程材料，在设计与制造的全过程中始终注重“时时环保、事事环保”。
浅海作业多功能机器人在构思设计上，特意设置捡拾垃圾、清洁海床的功能，使机器人具备“环保卫士”的基因，倡导善待海洋、关爱海洋、保护海洋，以科技创作树立面向未来的“世界观”，用实际行动展现大国的“新格局”。
